青铜法铌三锡超导线材_钢铁百科

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青铜法铌三锡超导线材

A-15型化合物超导材料的一种。把纯铌棒置于青铜中，通过加工制得多芯铌/青铜复合线材，经反应热处理，青铜中的锡向铌芯扩散，且在铌芯表面反应生成铌三锡超导化合物，即成为青铜法铌三锡多芯复合超导线材。用青铜法工艺制备的铌三锡多芯复合线材是1969年肯夫曼（Kenfman）等人提出来的。

青铜法多芯超导材料设计超导磁体中的超导材料处于工作状态时，由于扰动、磁滞、自场效应等现象，使超导体内出现磁通跳跃而产生不稳定性。为了克服不稳定性，超导体必须做成细芯、多股的复合体。根据应用需要，有的还要编织、绞缆等全换位手段，制成二次导体。与铌钛多芯线一样复合铜使青铜法铌三锡更稳定。为防止青铜区对纯铜区的污染，采用钽作阻挡层，也可用局部渗磷铌箔替代较贵的钽作阻挡层。

青铜法铌三锡多芯超导体制备工艺铌三锡多芯线青铜法制备工艺如示意图1

由图1可看出，将纯铌嵌在锡青铜中(含锡量13％～14％)，经挤压、拉拔至最终尺寸后，扭绞成型，再在550～750℃温度热处理，使青铜中的锡与铌芯发生固态反应，在青铜基体与铌芯界面上生成铌三锡。冷加工过程中，由于青铜本身加工硬化快，复合线需要进行多次中间退火。在青铜法Nb3Sn生成热处理温度下，铌芯与青铜反应生成的化合物只有Nb3Sn相，不出现Nb6Sn5、NbSn2等非超导中间相。由于是固态反应，生成的Nb3Sn层平滑而较均匀。较低的生成热处理温度致使Nb3Sn晶粒尺寸细小。因此，青铜法Nb3Sn材料的载流能力较优。青铜中的锡与铌芯反应后，仍残存1 .3％的锡，其电阻率与铜一镍合金相近，可降低脉冲磁场下的交流损耗。

青铜法改进工艺主要有外扩散法、内扩散法、铌管法、拉网包卷法、原位法和粉末法等。

外扩散法该法是把Cu-Nb多芯复合坯料挤压一拉拔至成品直径，其外部覆锡层，经热处理首先生成Cu-Sn合金基体，进而生成Nb3Sn芯丝。这种称为外扩散的方法与原青铜法相比，主要优点是将Cu-Nb复合体一直拉拔到所需尺寸，而不要中间反复退火。但是，在外覆锡层大于5μm时，外层出现剥落现象，这只能限于制作线径小于0.25mm直径的线材。

内扩散法(或称内锡法) 将包铜的铌棒(或铜基体中含有多根铌芯的复合棒)与包铜的Sn-(8～20)％Cu合金棒组装在一根铜管中，并使后者置于铜管中心，把这种复合坯料冷拉拔到所需直径，再热处理生成Nb3Sn。这种工艺的主要优点有三：(1)没有原青铜法复合体加工中繁琐的中间退火；(2)Nb3Sn生成所需锡源是Sn—Cu合金，可人为控制，锡源充足，Nb3Sn的晶粒细，化学计量比好，载流能力优；(3)与外扩散法相比，低熔点的Sn-Cu合金包在线中心，纯铜区和钽阻挡层可置于线外层，也不存在覆锡层及其剥落问题。

铌管法此法有两种线材制作工艺，它们都是以铌管代替青铜法(或内扩散法)中的铌棒。一种工艺是把锡青铜塞入外套铜管的铌管中，经多次复合组装、挤压、拉拔，最后热处理获得Nb3Sn超导体。导体的加工过程，与原青铜法一样需进行多次中间退火。另一种工艺是把Sn-(8～20)％Cu(或纯锡)棒装入外套铜管的铌管中，将其复合组装在铜管里，直接进行冷拉拔，最后热处理生成Nb3Sn，与内扩散法相类似。这两种工艺的最大优点是：导体中的铌管起着阻挡层作用；全部Nb3Sn层都靠近纯铜区，其他方法不易做到。由于导体中芯丝尺寸较大，该工艺制得的导体在交变场中会导致较大的交流损耗。

拉网包卷法此法是将拉成网络的铌箔与青铜箔叠放在一起，然后卷成一个“实体”，放入铜套中，经挤压、拉拔，最后热处理生成Nb3Sn,钽阻挡层与纯铜区的处理方法与原青铜法相同。这种制备方法大大简化了原青铜法工艺，可降低成本。但是，由于Nb3Sn呈网络状，导体的交流损耗不能令人满意。此法可与内扩散法相结合，只要将坯料中的青铜箔换成铜箔，一起叠加卷绕在Sn-Cu合金棒上，其后加工与内扩散法相同。

原位法 C.C.崔发展了一种Nb3Sn化合物多芯导体成材的原位法工艺。将一定比例的Cu-Nb在高温下熔化，经快速冷却获得铸锭，锭中的铌呈树枝状存在于铜基体中，将锭加工成线材(毋需中间退火)，生成Nb3Sn所需的锡源大都采用线材覆锡或采用内扩散工艺方式加入。热处理后的这种导体，其基体中存在的Nb3Sn芯似海绵状的纤维。由于Nb3Sn纤维可做得很细(10-5cm)，所以该超导体的力学性能超过所有其他方法所制备的导体。

粉末法该法与原位法相类似，用铌粉与铜粉压制成坯，在室温或高温下挤压、加工制得的导体与原位法的类似，有关其他方面也与原位法的近似。

在多芯铌三锡导体的成材工艺中，除上述工艺方法外，还有ECN法、浸渍法等

。青铜法多芯铌三锡超导材料的性能多芯铌三锡超导材料的制备方法很多，由不同方法制备的超导材料，其性能也有所不同。(1)青铜工艺制备的材料(线径0.5～0.7mm，芯径2～5μm，芯数几千～几万)，其典型Jc-H曲线列于图2。

由图可知，在4.2K，12T与16T的Jc分别为(5.0～5.8)×104A/cm2和(1.0～1.7)×104A/cm2(0.1μV/cm判据)。西北有色金属研究院用青铜法制得的Nb3Sn材料(线径0.5～0.6mm，2000～3000芯)的Jc达9×104A/cm2(4.2K，10T，0.1μV/cm)、5.8×104A/cm2(4.2K，12T，0.1μV/cm)以及1.7×104A/cm2(4.2K，16T，0.1μV/cm)。另外，矩形截面的多芯Nb3Sn带材(截面积1.3～1.9mm2，宽厚比2:1，芯数17000)的Jc为2.4×104A/μcm2(4.2K，13T，0.1μV/cm)，这些超导材料达到或高于国际上同类超导体的性能水平。

(2)内扩散法多芯铌三锡超导材料，由于锡源充足，使其Jc较原青铜法为高。IGC与古河电子公司的内扩散法制得的多芯铌三锡材料的Jc最高值达2×105A/cm2(4.2K，10T，0.1μV/cm)和3.7×104A/cm2(4.2K，14T，0.1μV/cm)(图3)。从图3可看出，在10T下的Jc值几乎是青铜法超导材料的两倍。在我国也能制作出国际先进性能的内扩散法多芯铌三锡超导材料。

为了提高多芯铌三锡超导材料的Jc性能，向Nb3Sn中添加钛、钽等元素，可显著提高超导材料高场(>12T)的临界电流密度。图4是纯Nb3Sn与(Nb、Ti)3Sn超导材料的Jc-H关系曲线，从比较两种材料的Jc-H曲线可知，(Nb，Ti)3Sn材料较Nb3Sn的高场Jc有大的改善和提高。